Moderní komponenty napájející systémy HPC datových center uprostřed AI Binge

Růst datových center prudce stoupá v souvislosti s rozšiřováním cloudových služeb a náhlou poptávkou po aplikacích umělé inteligence závislých na rozsáhlých jazykových modelech (LLM), které vyžadují větší škálovatelnost a rozsáhlé výpočetní zdroje. Tato situace vyžaduje novou generaci vysoce výkonných výpočetních systémů (HPC) využívajících specializované součásti schopné uspokojit požadavky na vyšší výkon a regulaci tepla.

Tyto potřeby datových center zvyšují poptávku po vylepšených pasivních součástkách, jako jsou výkonové kondenzátory, rezistory a induktory, které konstruktéři produktů mohou využívat při vývoji pokročilejších HPC zařízení splňujících požadavky na zpracování pomocí umělé inteligence. Tyto požadavky zahrnují vyšší efektivitu, výkon, spolehlivost a regulaci tepla v menších zařízeních, které umožňují datovým centrům optimalizovat prostor a zvýšit hustotu svých systémů.

Lepší induktory vyšší účinnost systémů HPC

KEMET, dceřiná společnost skupiny YAGEO, vyvinula kovové kompozitní induktory na zlepšení výkonu DC-DC měničů a spínaných napájecích zdrojů. Tato společnost na základě své historie jako dodavatel magnetických součástí na míru pro OEM výrobce vyvinula standardizovanou řadu výkonových tlumivek METCOM MPX, které se vyznačují se vyšší odolností vůči proudovým přechodovým jevům, vyšším provozním teplotám a nabízejí kompaktní provedení i vysoký výkon.

Kovové kompozitní výkonové induktory METCOM mají jádro s vysokou hustotou sycení magnetickým tokem, což umožňuje dosažení silnějšího magnetické pole v porovnání s tradičními feritovými induktory. Poskytují stabilní indukčnost v širokém rozsahu teplot a proudů.

Jádro je tvořeno kovovým prášek s izolačním povlakem a pojivem. Rozsah indukčnosti dostupný pro řadu MPX je 0,1 až 100 µH.

Konstrukce induktoru, která využívá kulatý měděný drát obklopený sintrovaným magnetickým kovovým kompozitním práškem (obrázek 1) schopným zajistit stabilní indukčnost v širokém rozsahu teplot a proudů, je vhodná pro mnoho DC-DC regulátorů, například spínané napájecí zdroje v serverech datových center, pro výkonové tlumivky, tlumivky EMI filtrů a regulátory v místě zátěže.

Obrázek 1: výkonové induktory METCOM MPX využívají kulatý měděný drát obklopený sintrovaným magnetickým kovovým kompozitním práškem. (Zdroj obrázku: KEMET)

Kovový prášek umožňuje výrobu induktorů s vyšší energetickou hustotou a vyšší tepelnou odolností, což umožňuje dosáhnout menších půdorysů než u induktorů s feritovým jádrem společně s dalšími výhodami v podobě nižších ztrát v jádru na vyšších frekvencích a lepšího potlačení elektromagnetického rušení (EMI). Všechny tyto vlastnosti společně zajišťují vyšší odolnost a spolehlivost, které jsou nezbytné pro provoz datových center.

Díky více než 200 možnostem v řadě MPX (obrázek 2) nabízí společnost Kemet širokou škálu možností. Dostupné rozměry zahrnují 5 x 5 mm, 6 x 6 mm, 8 x 8 mm, 10 x 10 mm, 12 x 12 mm, 17 x 17 mm a 22 x 22 mm.

Obrázek 2: tvarový faktor induktorů METCOM MPX. (Zdroj obrázku: KEMET)

Například induktor MPX1D0630L3R3 je součástka o rozměrech 6 x 6 mm a výšce 3,0 mm umožňující efektivní využití prostoru na hustě osazené desce plošných spojů bez kompromisu na výkonu. Díky jmenovité provozní teplotě až +155 °C, indukčnosti 3,30 µH ±20 % a maximálnímu stejnosměrnému odporu 30,3 mΩ je tento induktor vhodný pro prostředí se systémy HPC, kde má zásadní význam zachování integrity napájení, regulace tepla a účinnosti.

Pro méně přísné požadavky nebo vyšší všestrannost ohledně hodnot indukčnosti se induktor MPX1D0530L220 dodává v půdorysu 5 x 5 mm s výškou 3,0 mm a indukčností 22,00 µH. Díky vyššímu maximálnímu stejnosměrnému odporu 341,2 mΩ by tento induktor byl vhodný pro aplikace, kde regulace tepla nepředstavuje závažný problém nebo kde systém obsahuje přídavné vestavěné chlazení.

Možnosti výkonových perličkových induktorů pro systémy HPC

V systémech HPC, kde je obecně vyžadováno potlačení rušení EMI bez přísných požadavků na výkon, nabízí další společnost skupiny YAGEO - Pulse Electronics - výkonové perličkové induktory optimalizované na vysoké proudové zátěže. Tyto induktory jsou navrženy speciálně pro použití s topologií transinduktorových regulátorů napětí (TLVR).

Výkonové perličkové induktory s feritovým jádrem jsou alternativou k induktorům s vinutým jádrem, které obvykle napájejí stolní regulátory napětí (VCORE). Výkonové perličkové induktory vyrobené technologií průchozího otvoru (THT) poskytují vyšší účinnost a nabízejí přísnější tolerance, což umožňuje snížení velikosti regulátorů VCORE.

Namísto odstupňování zvlněných proudů induktorů s jedním vinutím ve vícefázové snižovací topologii, umožňují výkonové perličkové induktory nižší indukčnosti a dosažení konstrukčního kompromisu mezi rychlostí reakce převodníku na změnu zátěžného proudu (přechodová odezva) a stabilitou řídicí smyčky.

Součásti od společnosti Pulse Electronics se obvykle používají ve vícefázových regulátorech napětí s vysokou proudovou zatížitelností, které napájejí procesory, paměťové moduly a výkonové obvody ASICS a FPGA pro servery, grafické karty, úložiště a datová centra. Tyto induktory TLVR s dvojitým vinutím jsou dostupné v rozměrech 4 x 4 mm až 13 x 13 mm s rozsahem indukčností 20 nH až 1 µH.

Součástky s tvarovým faktorem řady PAL6373.XXXHLT (obrázek 3), například induktor PGL6380.101HLT, jsou dodávány s půdorysem 12 x 6 mm, s indukčnostmi v rozsahu 100 nH až 200 nH, saturačním proudem 59 A až 125 A ve špičce a rozsahem provozních teplot -40 °C až +125 °C. Induktory, které jsou vyrobeny s feritovým jádrem sestaveným přes 1T nebo 2T vinutí, se vyznačují extrémně nízkým stejnosměrným odporem (DCR), vysokým proudem ve špičkách a nízkými střídavými ztrátami. Jsou k dispozici v jednofázových verzích, verzích s integrovanými fázemi ve a vázaných induktorových verzích.

Obrázek 3: tvarový faktor výkonového perličkového induktoru řady PAL6373.XXXHLT od společnosti Pulse Electronics. (Zdroj obrázku: Pulse Electronics)

Volba mezi výkonovými perličkovými induktory a kovovými kompozitními induktory u systémů HPS závisí na konkrétních požadavcích systému, jako je potřeba vysoké stability indukčnosti, teplotní odolnosti a potlačení šumu. Tlumivky od společnosti KEMET nabízejí stabilní výkon v rozšířeném teplotním rozsahu až +180 °C a jejich lisovaná kovová struktura pomáhá snižovat akustický šum, což může být výhodné v systémech HPC citlivých na rušení.

Stabilní kondenzátory s dlouhou životností

Elektrolytické kondenzátory z pevného vodivého polymeru a hliníku od společnosti KEMET jsou též velmi vhodné pro náročné požadavky systémů HPC, kde mají zásadní význam výkon, účinnost a spolehlivost.

Na rozdíl od tradičních „mokrých" hliníkových elektrolytických kondenzátorů používajících vodivé kapalné elektrolyty, se pevné polymery v kondenzátorech od společnosti KEMET vyznačují nízkým ekvivalentním sériovým odporem (ESR), který je stabilní v širokém rozsahu teplot, frekvencí a provozních životností.

Součástky z pevných polymerů jsou odolnější proti vibracím a mají vyšší stabilitu než kondenzátory s mokrým elektrolytem, ve kterých může elektrolyt vyschnout a selhat. Efektivně udržují kapacitu na vysokých frekvencích, díky čemuž se stávají atraktivní volbu pro rychle spínané napájecí zdroje.

Kondenzátory od společnosti KEMET pracují efektivně při požadavcích na vysokou proudovou zátěž typických pro systémy HPC bez výrazných výkonových ztrát a díky kombinaci vodivého polymeru a elektrolytu se v porovnání se standardními elektrolyty přizpůsobují vyšším napětím. Ve srovnání s alternativními řešeními mohou vylepšené elektrické vlastnosti a robustnost pevných polymerových hliníkových elektrolytických kondenzátorů významně zvýšit celkovou účinnost a spolehlivost systémů HPC.

Kondenzátory pro povrchovou montáž řady A768 (obrázek 4) od společnosti KEMET navržené tak, aby poskytovaly delší životnost a vyšší stabilitu v širokém rozsahu teplot, mají hodnoty kapacity v rozsahu 18 µF až 1200 µF a napětí v rozsahu 4 V_DC až 80 V_DC. Například model A768MS108M1CLAE015 je kondenzátor verze 16 V, 1000 µF s jmenovitým ekvivalentním sériovým odporem (ESR) 15 mΩ a rozsahem provozních teplot -55 °C ~ +125 °C. Kondenzátor má styčnou plochu o rozměrech 0,406" D x 0,406“ Š (10,30 mm x 10,30 mm).

Obrázek 4: pevný polymerový hliníkový kondenzátor řady KEMET A768 pro povrchovou montáž. (Zdroj obrázku: KEMET)

Tyto kondenzátory jsou navržené tak, aby udržovaly výkon i v náročných tepelných podmínkách. K dispozici jsou také verze odolávající vibracím až 30 g v prostředí systémů HPC, kde by mechanické namáhání nebo pohyb mohly způsobit nestabilitu.

Tenkovrstvé čipové rezistory

Dalšími důležitými součástkami pro návrhy systémů HPC jsou čipové rezistory, které doplňují výkonové měniče a kondenzátory ochranou proti nadproudům a zajišťují celkovou stabilitu i účinnost systému. Skupina YAGEO Group v roce 2023 představila své tenkovrstvé čipové rezistory řady N z nitridu tantalu navržené pro udržení konzistentního výkonu v náročných prostředích.

Samopasivační konstrukce rezistorů řady NT je tvořena hydroizolační vrstvou, která chrání odporovou vrstvu proti pronikání vlhkosti. Součástky jsou k dispozici ve velikostech pouzdra 0402 až 1206 s odporem v rozsahu 100 Ω až 481 kΩ.

Díky širokému rozsahu provozních teplot -55 °C až +155 °C přispívají NT rezistory ke stabilní distribuci a efektivnímu přenosu energie. Vykazují nízký teplotní koeficient odporu (TCR) ±25, ±50 ppm/°C se jmenovitým výkonem 1/20 W až 2/5 W.

Závěr

Požadavky cloud computingu a umělé inteligence vedou k potřebě elektronických součástek se specifickými parametry poskytujícími vysokou spolehlivost v náročných podmínkách. Konstruktéři mohou na vyvíjející se požadavky systémů HPC reagovat využíváním specializovaných výkonových induktorů, rezistorů a kondenzátorů zahrnujících produkty dodávané společností YAGEO Group a jejími dceřinými společnostmi KEMET a Pulse Electronics.